- 工程測量學
- 李章樹 劉蒙蒙 趙立主編
- 3638字
- 2020-05-07 12:52:22
3.2 光學經緯儀
經緯儀是主要用來測量角度的儀器。根據讀數設備不同，可分為光學經緯儀和電子經緯儀。根據測角精度不同，我國的經緯儀系列分為DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ10等幾個等級。其中D和J分別是“大地測量”和“經緯儀”兩詞漢語拼音的第一個字母，腳標的數字表示該經緯儀一測回方向觀測中誤差不超過的秒數，即表示該儀器能達到的精度指標。
經緯儀中目前最常用的是DJ6和DJ2級光學經緯儀。圖3-3是DJ6級光學經緯儀的外貌，圖3-9是DJ2級光學經緯儀的外貌。本節主要講述DJ6級光學經緯儀。
圖3-3 DJ6級光學經緯儀
1—望遠鏡制動螺旋；2—望遠鏡微動螺旋；3—物鏡；4—物鏡調焦螺旋；5—目鏡；6—目鏡調焦螺旋；7—光學瞄準器； 8—度盤讀數顯微鏡；9—度盤讀數顯微鏡調焦螺旋；10—照準部管水準器；11—光學對中器；12—度盤照明反光鏡； 13—豎盤指標管水準器；14—豎盤指標管水準器觀察反射鏡；15—豎盤指標管水準器微動螺旋； 16—水平方向制動螺旋；17—水平方向微動螺旋；18—水平度盤位置變換螺旋與保護卡； 19—基座圓水準器；20—基座；21—軸套固定螺旋；22—腳螺旋
各種類型的光學經緯儀，其外形及儀器零部件的形狀、位置不盡相同，但基本構造都是一致的，一般都包括照準部、水平度盤和基座三大部分，如圖3-4所示。下面分別說明光學經緯儀各種裝置的具體構造。
圖3-4 光學經緯儀的一般構造圖
3.2.1 DJ6光學經緯儀的基本構造
DJ6級光學經緯儀是一種中等精度的測角儀器。經緯儀主要由照準部、水平度盤和基座三部分組成。
3.2.1.1 照準部
照準部是指位于水平度盤之上，能繞其旋轉軸旋轉部分的總稱。照準部包括望遠鏡、豎盤裝置、讀數顯微鏡、水準管、光學對中器、照準部制動和微動螺旋、望遠鏡制動和微動螺旋、橫軸及其支架等部分。照準部旋轉所繞的幾何中心線稱為經緯儀的豎軸。照準部制動和微動螺旋控制照準部的水平轉動。
經緯儀的望遠鏡與水準儀的望遠鏡大致相同，它與其旋轉軸固定在一起，安裝在照準部的支架上，并能繞其旋轉軸旋轉，旋轉軸的幾何中心線稱為橫軸。望遠鏡制動螺旋和微動螺旋用于控制望遠鏡的上下轉動。
豎盤裝置用于測量豎直角，其主要部件包括豎直度盤（簡稱豎盤）、豎盤指標、豎盤水準管和水準管微動螺旋（有的儀器已采用豎盤補償器進行替代）。
讀數顯微鏡用于讀取水平度盤和豎盤的讀數。儀器外部的光線經反光鏡反射進入儀器后，通過一系列透鏡和棱鏡，分別把水平度盤和豎盤的影像映射到讀數窗內，然后通過讀數顯微鏡可得到度盤影像的讀數。
光學對中器用于使水平度盤中心（也稱儀器中心）位于測站點的鉛垂線上，稱為對中。對中器由目鏡、物鏡、分劃板和直角棱鏡組成。當水平度盤處于水平位置時，如果對中器分劃板的刻劃圈中心與測點標點相重合，則說明儀器中心已位于測站點的鉛垂線上。
照準部水準管用于使水平度盤處于精確水平位置，它的分劃值一般為30″/2mm。若照準部旋轉至任何位置，水準管氣泡均居中，則說明水平度盤已水平。
3.2.1.2 水平度盤
水平度盤是一個刻有分劃線的光學玻璃圓盤，用于量測水平角。水平度盤按順時針方向注有數字。水平度盤與照準部是分離的，觀測角度時，其位置相對固定，不隨照準部一起轉動。若需改變水平度盤的位置，可通過照準部上的水平度盤位置變換手輪或復測扳手將度盤變換到所需要的位置，主要用于水平度盤的配盤。
3.2.1.3 基座
經緯儀基座的構成與作用和水準儀的基座基本相同，主要由軸座、腳螺旋、連接板組成。另外還有一個軸座固定螺旋，用來將照準部與基座固連在一起。因此，操作儀器時，切勿松動此螺旋，以免儀器上部與基座分離而墜落摔壞。
3.2.1.4 讀數設備
打開照準部上的反光鏡并調整其位置，必要時調節讀數顯微鏡目鏡的調焦螺旋，使讀數窗內的影像明亮、清晰，即可讀數。讀數時，分位和秒位必須兩位數齊全。
不同精度、不同廠家的產品其基本結構是相似的，但由于采用的讀數設備不同，讀數方法差異也很大。現只介紹常見的幾種讀數方法：分微尺法、單平板玻璃測微器法和對徑符合法。
（1）分微尺法
分微尺法也稱帶尺顯微鏡法。由于這種方法操作簡單、讀數方便、不含隙動差，大部分DJ6級經緯儀都采用這種測微器，如國產的TDJ6，Leica T16等。
這種測微器是一個固定不動的分劃尺，它有60個分劃，度盤分劃經過光路系統放大后，其1°的間隔與分微尺的長度相等。即相當于把1°又細分為60格，每格代表1'，從讀數顯微鏡中看到的影像如圖3-5所示。圖中H代表水平度盤，V代表豎直度盤。度盤分劃注字向右增加，而分微尺注字則向左增加。分微尺的0分劃線即為讀數的指標線，度盤分劃線則作為讀取分微尺讀數的指標線。從分微尺上可直接讀到1'，還可以估讀到0.1'。圖3-5中的水平度盤讀數為115°17'18″。
圖3-5 分微尺測微器讀數窗
（2）單平板玻璃測微器法
這種測微方法也適用于DJ6級經緯儀。由于操作不便，且有隙動差，現已較少采用。但舊儀器中還可見到，如Wild T1和部分國產DJ6的讀數裝置即屬此類。
單平板玻璃測微器的結構原理如圖3-6所示。度盤影像在傳遞到讀數顯微鏡的過程中，要通過一塊平板玻璃，故稱單平板玻璃測微器。在儀器支架的側面有一個測微手輪，它與平板玻璃及一個刻有分劃的測微尺相連，轉動測微手輪時，平板玻璃產生轉動。由于平板玻璃的折射，度盤分劃的影像則在讀數顯微鏡的視場內產生移動，測微分劃尺也產生位移。測微尺上刻有60個分劃，如果度盤影像移動一格，則測微尺剛好移動60個分劃，因而通過它可讀出不到1°的微小讀數。
圖3-6 單平板玻璃測微器結構原理
在讀數顯微鏡讀數窗內，所看到的影像如圖3-7所示。圖內下面的讀數窗為水平度盤的影像，中間為豎直度盤的影像，上面則為測微尺的影像。水平及豎直度盤不足1°的微小讀數，都利用測微尺的影像讀取。讀數時需轉動測微手輪，使度盤刻劃線的影像移動到讀數窗中間雙指標線的中央，并根據這指標線讀出度盤的讀數。這時測微尺讀數窗內中間單指標線所對的讀數即為不足1°的微小讀數。將兩者相加即為完整的讀數。例如圖3-7（b）中的水平度盤讀數為42°45.6'。
圖3-7 單平板玻璃測微器讀數窗
如圖3-8所示，如果度盤的刻劃中心O與照準部的旋轉中心
不相重合，它會使讀數產生誤差x，這個誤差稱偏心差。為了能在讀數過程中將這個誤差消除，一些精度較高（如DJ2級以上）的儀器，都利用直徑兩端的指標讀數，以取其平均值。這種儀器在構造上有兩種：雙平行玻璃板法和雙光楔法。由于兩種構造的作用相同，現只對雙平行玻璃板法加以說明。
圖3-8 度盤偏心
3.2.2 DJ2光學經緯儀的基本構造
我國生產的DJ2級光學經緯儀如圖3-9，簡稱J2經緯儀。它的測量精度比J6經緯儀高一等級，可用于精密導線測量，三、四等三角測量和精密的工程測量。
圖3-9 DJ2級光學經緯儀
1—望遠鏡制動螺旋；2—望遠鏡微動螺旋；3—物鏡；4—物鏡調焦螺旋；5—目鏡；6—目鏡調焦螺旋；7—光學瞄準器； 8—度盤讀數顯微鏡；9—度盤讀數顯微鏡調焦螺旋；10—測微輪；11—水平度盤與豎直度盤換像手輪；12—照準部管水準器； 13—光學對中器；14—水平度盤照明鏡；15—垂直度盤照明鏡；16—豎盤指標管水準器進光窗口； 17—豎盤指標管水準器微動螺旋；18—豎盤指標管水準器氣泡觀察窗；19—水平制動螺旋； 20—水平微動螺旋；21—基座圓水準器；22—水平度盤位置變換手輪； 23—水平度盤位置變換手輪護蓋；24—基座；25—腳螺旋
J2經緯儀的構造與J6經緯儀基本相同，但在讀數裝置和讀數方法上卻有較大的差異。J2經緯儀的顯微讀數窗內，只能觀察一個度盤影像。為此，儀器增設了一個度盤換像手輪。測水平角時，轉動手輪使其標志刻線置于水平位置，讀數窗內的影像為水平度盤；測豎直角時，將標志線置于豎直位置，讀數窗內即為豎直度盤影像，從而防止讀錯度盤。另外還采用了對徑符合法讀數。采用此方法，不僅提高了讀數精度，還可消除度盤偏心差的影響。
采用雙平行玻璃板構造的儀器，其原理如圖3-10所示。位于支架一側的測微手輪也與兩塊平行玻璃板及測微分劃尺相連。度盤直徑兩端的影像，通過一系列光學組件，分別傳至兩塊平行玻璃板，再傳至讀數顯微鏡。當旋轉測微手輪時，兩塊平行玻璃板以相同的速度作相反方向的旋轉。因而在讀數窗內，度盤直徑兩端的刻劃影像也作相反方向的移動。當移動到對徑兩端的刻劃線互相對齊后，則可從相差180°的兩條刻劃線上讀出度數及10'數，再從測微分劃尺上讀出不足10'的分數及秒數，兩者相加，即為完整的讀數。
圖3-10 雙平行玻璃板原理
對徑兩端的刻劃線對齊后，讀數窗內的影像如圖3-11（a）所示，讀數為295°57'36.4″。
上述讀數方法，在讀取10'數時十分不便，而且極易出錯。所以現在新的儀器產品，都改為“光學數字讀法”。這種讀數方法，讀數顯微鏡的視場內如圖3-11（b）所示。中間小窗為度盤直徑兩端的影像，上面的小窗可讀取度數及10'數，下面小窗即為測微分劃尺影像。當旋轉測微手輪，使中間小窗的上下刻劃線對齊后，可從上面小窗讀出度數及10'數，再從下面小窗的測微尺上讀出不足10'的分、秒數。因此在圖3-11（b）讀數應為176°38'25.8″。
圖3-11 DJ2級光學經緯儀讀數窗
在使用這種儀器時，讀數顯微鏡不能同時顯示水平度盤及豎直度盤的讀數。在支架左側有一個刻有直線的旋鈕，當直線水平時，所顯示的是水平度盤讀數；而直線豎直時，則顯示的是豎直度盤讀數。